一种电化学联产氯气和CO的方法与流程

本发明属于有机电化学合成领域，具体涉及一种电化学联产工艺同时制备氯气和co的方法。

背景技术：

1、氯气和co都是重要的化工基础原料，广泛应用于各行业。氯气主要通过氯碱法电解制备得到，或者使用hcl为原料使用空气(氧气)氧化的方法制得。co主要通过煤造气装置大量制取，但是副产大量co2，是温室气体的主要来源之一.

2、《advanced energy material》2021年第11卷2100075页报道了一种电解海水同时制备氯气和co的方法，该方法需要使用酞菁钴作为其中的关键电极材料，该电极制备工艺复杂，其中酞菁钴和其它添加剂价格较高，导致总体电极成本很高，尚不具备大规模应用前景。

3、专利cn111575732报道了碳酸酯作为阴极液的实验方法，碳酸酯类物质稳定性较差，在阴极还原的氛围下较易被还原从而导致电解液变质，另外过程中生成的nahco3和na2co3容易堵塞管道。由于碳酸酯的电导率较低，导致反应过程中槽电压偏高，电耗较高。

4、因此可见，氯气联产制备co还存在电极催化剂制备复杂，电极液稳定性差等问题，需要一种清洁安全、稳定的方法。

技术实现思路

1、本发明的主要目的在于提供一种实现氯气和co联产的方法。为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

2、一种电化学联产工艺及电极的制备方法，包括如下步骤：

3、在阳极发生氯离子的氧化反应，生成氯气；在阴极发生co2电化学还原反应，生成co；阳极电解液为nacl水溶液，阴极电解液是离子液体和水的混合物。

4、反应方程式如下：

5、anode：2cl-→cl2+2e-

6、cathode：3co2+h2o+2na+2e-→co+2nahco3

7、所述离子液体结构式如下所示，其中x＝bf4、pf6、cf3so3(三氟甲磺酸)、(cf3so2)2n(双三氟甲磺酰亚胺)、(fso2)2n(双氟磺酰亚胺)中的一种。

8、

9、本发明中，所述nacl水溶液的浓度为2wt％-10wt％；

10、优选地，所述阴极电解液中离子液体加入量与水的质量比为1:1-3:1。

11、本发明中，所述阴极是气体扩散电极，包括气体扩散层和催化层两部分。其中气体扩散层选自碳纸、碳毡、聚四氟乙烯多孔薄膜中的一种。催化层包含主体金属和掺杂金属。所述主体金属选自银、金、锌中的一种；所述掺杂金属选自铂族金属中的一种，优选铑、钯和铂中的一种，掺杂元素相对于主体金属的质量比为0.1％-5％。

12、所述气体扩散电极的制备方法包含以下步骤：

13、按质量比例将主体金属、掺杂金属、添加剂和nafion水溶液加入到溶剂中，分散均匀后，通过喷壶将催化剂浆料均匀喷洒在气体扩散层上，多次喷洒控制催化层的厚度，完成后自然晾干，再放入烘箱中干燥，得到阴极材料。

14、所述溶剂选自异丙醇、乙醇、甲醇中的一种或多种，其用量为主体金属的10-20wt％；

15、所述添加剂选自羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素；其用量为主体金属的1-5wt％；

16、nafion水溶液的浓度为1-10wt％，其用量为主体金属的5-10wt％；

17、所述催化剂层的厚度为30-50微米；

18、所述干燥的温度为200～400℃，干燥的时间为12-36h。

19、本发明中，所述阳极材料选自钛镀二氧化钌、钛镀氧化铱、石墨中的一种。

20、本发明中，所述电流密度为500-3000a/m2，优选1000-2000a/m2。所述还原反应温度范围是40-60℃。

21、本发明所述的反应在电解槽中进行，电解槽可以是常规的隔膜电解槽，隔膜选自nafion离子交换膜，除了电极外还可带有搅拌子、温度计等配件。

22、在一具体的实施方案中，阳极、阴极是长方形电极，阳极电极面积为1-10cm2，阴极电极面积为1-10cm2，两电极平行放置，阴、阳极间距为2-10mm。

23、在一个具体的实施方式中，所述制备方法包含以下步骤：

24、向电解池阳极室加入nacl水溶液，向阴极室加入离子液体(x＝bf4)和水，反应前向阴极液中通入co2 5-60分钟，控制电流密度为1000a/m2，在40℃下电解10h。阳极产物氯气收率通过滴定测定，阴极产物co通过气相色谱测定，主要的副产是氢气。

25、所述方法中阴极材料基材为聚四氟乙烯多孔纤维，催化层主体金属是银，含量为99wt％，掺杂金属铑含量1wt％；阳极材料为钛镀二氧化钌。

26、所述阳极、阴极均是长方形电极，阳极电极面积为10cm2，阴极电极面积为10cm2，两电极平行放置，阴、阳极间距为5mm。中间采用nafion117离子交换膜将阳极室和阴极室分隔开。

27、本发明与现有技术相比，具有以下优点：

28、(1)本发明采用了一种新型离子液体，与水溶解性好，作为混合溶剂使用可以溶解反应过程中生成的碳酸氢钠，避免了碳酸氢钠在电极表面沉淀，也避免了管道堵塞等问题；

29、(2)本发明采用铂族金属掺杂的气体扩散电极，提高了co的选择性，有效降低了电极材料的成本。

30、综上，本发明为氯气和co联产提供了一种简洁、高效的方法，解决了现有生产技术电极材料制备复杂、成本高、易于堵塞管道等问题。

1.一种电化学联产氯气和co的方法，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述nacl水溶液的浓度为2wt％-10wt％；所述阴极电解液中离子液体加入量与水的质量比为1:1-3:1。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述阴极是气体扩散电极，包括气体扩散层和催化层两部分，其中气体扩散层选自碳纸、碳毡、聚四氟乙烯多孔薄膜中的一种，所述催化层包含主体金属和掺杂金属；所述主体金属选自银、金、锌中的一种；所述掺杂金属选自铂族金属中的一种，优选铑、钯和铂中的一种，掺杂元素相对于主体金属的质量比为0.1％-5％。

4.如权利要求3任一项所述的方法，其特征在于，所述气体扩散电极的制备方法包含以下步骤：

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述溶剂选自异丙醇、乙醇、甲醇中的一种或多种，其用量为主体金属的10-20wt％；和/或，所述添加剂选自羟乙基纤维素、羟甲基纤维素、羟丙基甲基纤维素，其用量为主体金属的1-5wt％；和/或，所述催化剂层的厚度为30-50微米；和/或，所述干燥的温度为200～400℃，干燥的时间为12-36h。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，所述阳极材料选自钛镀二氧化钌、钛镀氧化铱、石墨中的一种。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述电流密度为500-3000a/m2，优选1000-2000a/m2；所述还原反应温度范围是40-60℃。

8.如权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，所述的反应在电解槽中进行，电解槽可以是常规的隔膜电解槽，隔膜选自nafion离子交换膜。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，所述电解反应中阳极电极面积为1-10cm2，阴极电极面积为1-10cm2，两电极平行放置，阴、阳极间距为2-10mm。